張志軍,董喧
(1.中交天津港航勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,天津 300461;2.中交天津航道局有限公司,天津 300461)
在改、擴(kuò)建港口時(shí)由于深度的增加,往往遇到過(guò)去不曾觸及的下臥很深的巖石層,而有些新建港口由于空間位置原因,必須建設(shè)在巖層海岸帶或珊瑚礁地區(qū)。海底硬質(zhì)巖石和珊瑚礁屬于一種特殊的疏浚物質(zhì),傳統(tǒng)的水下巖石爆破技術(shù)不但生產(chǎn)成本高,生產(chǎn)效率低,而且對(duì)海底環(huán)境污染極大,而基于疏浚泥土理論所設(shè)計(jì)的挖泥船并不適用于疏浚強(qiáng)度很大的巖石[1]。因此,近幾年來(lái),一些為挖巖進(jìn)行了特殊優(yōu)化的疏浚設(shè)備陸續(xù)建造,“天鯨號(hào)”就是其中之一。
“天鯨號(hào)”是中交天津航道局有限公司新近建造的大型自航絞吸式挖泥船,是中國(guó)當(dāng)前功率最大的絞吸挖泥船?!疤祧L號(hào)”長(zhǎng)127.5m,寬23.0m,吃水5.5m,最大挖深30m,最大排泥距離6000m,配備多種當(dāng)前國(guó)際最先進(jìn)的疏浚設(shè)備,絞刀功率達(dá)到4200 kW,生產(chǎn)能力4500m3/h,具有無(wú)限航區(qū)的航行能力和裝駁功能,靈活機(jī)動(dòng),適用于各種海況的疏浚工程[2]。
“天鯨號(hào)”不僅可以疏浚黏土、密實(shí)砂和碎石,還可以開(kāi)挖抗壓強(qiáng)度為40 MPa的巖石[2]。“天鯨號(hào)”的建造改變了人們清除海底巖石的方式,可大大減少海底爆破工程的數(shù)量,增大工程安全系數(shù),也可減少對(duì)海洋的污染。
防城港位于廣西壯族自治區(qū)防城港市,是全國(guó)25個(gè)沿海主要港口之一。
依據(jù)設(shè)計(jì)文件,防城港航道拓寬工程為在原有15萬(wàn)噸級(jí)航道基礎(chǔ)上向東側(cè)拓寬35m,設(shè)計(jì)挖深-17.9m。工程采用疏浚外拋施工,拋泥距離約13 km。因?yàn)槭窃谠降郎线M(jìn)行拓寬,疏浚施工過(guò)程中會(huì)有一定程度的干擾。根據(jù)工程區(qū)域的地質(zhì)資料,疏浚物主要為巖石,單軸抗壓強(qiáng)度平均為42MPa,最高為49.3MPa。
“天鯨號(hào)”在船體兩舷各配置了2套裝駁裝置,裝駁裝置由鋼質(zhì)裝駁架、裝駁管、起升絞車、旋轉(zhuǎn)接頭等組成。
“天鯨號(hào)”裝駁管路由設(shè)置在絞刀橋架上的水下泵吸泥管、水下泵排出管、設(shè)置在泵艙內(nèi)的排泥總管以及設(shè)置在甲板上的裝駁管路和裝駁架上的管路組成。
“天鯨號(hào)”在船體兩側(cè)各配有一個(gè)獨(dú)立的駁船系泊系統(tǒng)。
礁石類土質(zhì)具有硬度大、密度大、棱角突出的特點(diǎn),若利用管線輸送,對(duì)管線磨損嚴(yán)重,所需要的輸送壓力大,輸送距離短,所以利用絞吸船疏挖礁石類土質(zhì)時(shí),一般采用裝駁作業(yè)。
“天鯨號(hào)”配有裝駁裝置,可以直接對(duì)駁船進(jìn)行裝駁作業(yè)。課題組和項(xiàng)目部通過(guò)分析現(xiàn)場(chǎng)工況和“天鯨號(hào)”設(shè)備配置情況,決定采用直接裝駁方式拋泥。
“天鯨號(hào)”直接裝駁工藝流程見(jiàn)圖1。
圖1 直接裝駁工藝流程圖Fig.1 Direct barge loading process flow diagram
1)駁船靠泊
由于駁船在??窟^(guò)程中“天鯨號(hào)”存在施工擺動(dòng)情況,因此對(duì)靠泊過(guò)程應(yīng)予以高度重視。
2)裝駁前的準(zhǔn)備工作
駁船靠泊完成后,“天鯨號(hào)”應(yīng)派專人登上駁船,確認(rèn)前后裝駁管與駁船的相對(duì)位置滿足裝駁穩(wěn)定要求。
3)裝駁排泥管下放
駁船??考巴瓿上鄳?yīng)的裝駁準(zhǔn)備后,即可進(jìn)行裝駁排泥管的下放工作。
4)疏浚裝駁
在挖巖裝駁過(guò)程中,應(yīng)明確各崗位職責(zé),“天鯨號(hào)”及駁船均應(yīng)有專人負(fù)責(zé)監(jiān)控裝駁的進(jìn)度情況,并與控制臺(tái)保持聯(lián)系,當(dāng)駁船達(dá)到預(yù)期的裝駁量時(shí)應(yīng)及時(shí)通知駕駛臺(tái)停止裝駁。
在裝駁的過(guò)程中應(yīng)將另一側(cè)駁船靠泊完成,等待換駁連續(xù)施工,靠駁前須確認(rèn)裝駁管位于不影響靠泊作業(yè)的位置。當(dāng)靠泊完成后,在駁船裝載完成前將裝駁管下放至合適位置,以保持裝駁操作的連續(xù)性。
5)駁滿吹水、倒駁
當(dāng)一側(cè)駁船裝載完成后,應(yīng)進(jìn)行倒駁作業(yè),在絞刀停轉(zhuǎn)、吹清水的狀況下,打開(kāi)空駁一側(cè)裝駁管的疏浚閘閥,關(guān)閉滿駁一側(cè)疏浚閘閥,待管路調(diào)整完成后,即可繼續(xù)進(jìn)行挖巖作業(yè)。
6)裝駁完成后排泥管的提升
每次裝駁完成后,應(yīng)先將裝駁管提升,再進(jìn)行駁船的離駁作業(yè),以保證離駁過(guò)程中的安全操作,避免裝駁管對(duì)駁船的離駁造成安全隱患。
7)駁船的離泊
駁船在裝載完成后,待裝駁管提升完成,即可進(jìn)行離泊作業(yè)。
8)駁船拋泥后返航
駁船駛至拋泥區(qū)進(jìn)行拋泥,然后返航。
1)用重型挖巖絞刀進(jìn)行巖層開(kāi)挖,船舶開(kāi)啟水下泥泵施工,通過(guò)裝駁管路裝駁,配置最為適合的自航駁船拋泥,駁船數(shù)量應(yīng)根據(jù)船舶生產(chǎn)率、駁船實(shí)際裝艙量、拋泥距離和駁船航速估算,最低不能少于兩艘。
2)兩條自航駁船分別靠泊于“天鯨號(hào)”左右兩舷,可采用先裝一側(cè)駁船而后裝另1艘駁船的方式(即圖1的流程圖方式),也可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況采用對(duì)兩條駁船同時(shí)進(jìn)行裝駁的方式。
3.3.1 挖泥船的生產(chǎn)能力
“天鯨號(hào)”的生產(chǎn)能力可以通過(guò)以下兩種方式測(cè)算。
1)“天鯨號(hào)”船舶駕駛艙內(nèi)有挖泥控制系統(tǒng),可以從中讀取施工過(guò)程中的泥漿流量和泥漿濃度,然后根據(jù)公式“生產(chǎn)能力=泥漿流量×泥漿濃度”計(jì)算得到“天鯨號(hào)”的生產(chǎn)能力[3]。
2)在試挖前后對(duì)試挖區(qū)域分別進(jìn)行浚前及浚后測(cè)量,使用兩次的測(cè)圖計(jì)算試挖工程量,再除以“天鯨號(hào)”的挖泥時(shí)間得到生產(chǎn)能力。
3.3.2 確定運(yùn)距
對(duì)于疏挖區(qū)和拋泥區(qū)都只有1個(gè)區(qū)的情況,運(yùn)距指疏挖區(qū)和拋泥區(qū)之間的直線距離。
當(dāng)疏挖區(qū)或拋泥區(qū)數(shù)量不止1個(gè)時(shí),應(yīng)首先確定各疏挖區(qū)所對(duì)應(yīng)的拋泥區(qū),并計(jì)算疏挖區(qū)和其所對(duì)應(yīng)的拋泥區(qū)之間的距離,然后結(jié)合施工方案確定駁船匹配時(shí)的運(yùn)距取值。對(duì)于分階段進(jìn)行施工的項(xiàng)目,需要分階段進(jìn)行配駁,各階段運(yùn)距確定方法同上。
3.3.3 計(jì)算配駁數(shù)量
計(jì)算配駁數(shù)量的主要步驟:
1)依據(jù)項(xiàng)目情況,確定運(yùn)距S;
2)通過(guò)測(cè)算,確定船舶疏挖巖石的生產(chǎn)能力Q;
3)根據(jù)駁船信息,確定駁船的實(shí)際裝載量q;
4)依據(jù)航區(qū)相關(guān)規(guī)定和駁船情況,確定運(yùn)輸過(guò)程中駁船的實(shí)際航速v;
“天鯨號(hào)”在防城港施工初期,采用直接裝駁施工工藝,在施工過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)存在以下問(wèn)題。
1)施工質(zhì)量難以保證
泥艙裝滿后,主要依靠艙頂漫流,流出的泥漿在駁船周圍擴(kuò)散,大部分沉淀于航道內(nèi)或已浚深至設(shè)計(jì)深度的邊坡上,對(duì)后期質(zhì)量驗(yàn)收帶來(lái)較大的影響,而且增加了重復(fù)清淤的成本。
2)對(duì)航道及周邊的水體污染大
采用直接裝駁,裝滿1艘2000m3駁船需要時(shí)間約3 h,而裝艙在8min后,即開(kāi)始艙頂漫流,泥漿的擴(kuò)散時(shí)間長(zhǎng),擴(kuò)散的范圍大,并順著漲落潮流到其他施工區(qū)域,對(duì)海域水質(zhì)影響大。
3)安全風(fēng)險(xiǎn)大
防城港航道拓寬工程位于無(wú)掩護(hù)的外海,海況條件較差,由于駁船抗風(fēng)浪能力較弱,增加了安全風(fēng)險(xiǎn),而且容易因駁船無(wú)法施工而導(dǎo)致挖泥船被迫停工。由于駁船靠船體一側(cè),增加了“天鯨號(hào)”的寬度,對(duì)航道內(nèi)避讓也帶來(lái)一定的安全隱患。
為避免上述問(wèn)題,決定采用艉吹裝駁工藝施工。
“天鯨號(hào)”配備了艉吹裝置,可以通過(guò)排泥管線將疏浚物輸送到指定位置??紤]到礁石類疏浚物輸送距離短,經(jīng)過(guò)分析研究,決定在工程區(qū)域附近海況較好的地點(diǎn)設(shè)置抓斗裝駁平臺(tái),將疏浚物通過(guò)排泥管線輸送到抓斗裝駁平臺(tái),并在裝駁平臺(tái)上設(shè)置裝駁架,駁船??垦b駁平臺(tái)進(jìn)行裝駁作業(yè)。
防城港航道東側(cè)艉吹施工平面布置見(jiàn)圖2。
圖2 航道東側(cè)艉吹施工平面布置圖Fig.2 layout of the stern discharge in the east side of channel
經(jīng)不斷改進(jìn),形成“天鯨號(hào)”艉吹裝駁工藝,其工藝流程見(jiàn)圖3。
圖3 艉吹裝駁工藝流程圖Fig.3 Barge loading process flow diagram of stern discharge
1)駁船靠泊前,先通過(guò)抓斗的吊機(jī)將排泥鋼管上端起吊一定的高度,待駁船靠穩(wěn)后,吊機(jī)松纜,將排泥鋼管下放至裝駁架。
2)裝駁開(kāi)始后,可根據(jù)駁船吃水變化情況,通過(guò)抓斗吊機(jī)來(lái)調(diào)整管口距離駁船中已裝入泥漿液面的高度。
3)定位抓斗船和駁船采用前后端纜繩、系纜柱相對(duì)固定,為保證疏浚物在駁船泥艙內(nèi)分布較均勻,駁船通過(guò)松纜或緊纜改變與定位抓斗船的相對(duì)位置。
4)抓斗船通過(guò)絞錨改變與“天鯨號(hào)”的相對(duì)位置,調(diào)整位置時(shí)應(yīng)考慮前方水域水深、管線長(zhǎng)度、管線錨位置、管線方向與“天鯨號(hào)”施工中線的夾角等。
5)在完成1次裝駁作業(yè)循環(huán)后,按照1)~4)步驟進(jìn)入下一個(gè)裝駁循環(huán)。
4.4.1 優(yōu)點(diǎn)分析
1)施工質(zhì)量有保障
管口位置距離航道底邊線較遠(yuǎn),減少了疏浚物對(duì)航道內(nèi)二次淤淺的可能,施工質(zhì)量有保證。
2)提高了“天鯨號(hào)”的時(shí)利率
裝駁作業(yè)移到了海況條件較好的區(qū)域,降低了因駁船無(wú)法施工造成的停工風(fēng)險(xiǎn),提高了“天鯨號(hào)”的時(shí)利率。
3)降低安全風(fēng)險(xiǎn)
駁船靠離駁及裝駁作業(yè)移到了海況條件較好的區(qū)域,降低了駁船作業(yè)的安全風(fēng)險(xiǎn);“天鯨號(hào)”兩側(cè)無(wú)靠泊駁船,在航道內(nèi)施工避讓風(fēng)險(xiǎn)減小。
4.4.2 缺點(diǎn)分析
1)管線占用水域較大
由于水上管線在航道內(nèi)處于漂浮狀態(tài),占用水域范圍較大,并隨漲、落潮流擺動(dòng),對(duì)于過(guò)往船舶存在礙航風(fēng)險(xiǎn),施工時(shí)要做好警戒標(biāo)識(shí),特別是夜間施工要設(shè)警示燈等。
2)對(duì)航道外側(cè)水深較淺區(qū)域適應(yīng)性差
部分區(qū)域因水深過(guò)淺,不滿足抓斗船及配套駁船吃水要求,采用艉吹裝駁方式適用性較差。
通過(guò)對(duì)“天鯨號(hào)”在防城港航道拓寬工程進(jìn)行挖巖施工的調(diào)研分析,得出以下結(jié)論。
1)重型絞吸船在進(jìn)行挖巖施工時(shí)依據(jù)不同工況可選擇直接裝駁工藝或艉吹裝駁工藝。
2)直接裝駁工藝適用于風(fēng)浪條件好、環(huán)保要求低、疏挖區(qū)底高程要求不高的工況條件。
3)當(dāng)風(fēng)浪大駁船難以停靠時(shí),采用直接裝駁將影響施工的正常進(jìn)行,適合選擇艉吹裝駁工藝。而溢流大會(huì)造成疏挖區(qū)回淤時(shí),采用艉吹裝駁工藝為宜。
4)當(dāng)工程區(qū)為正在使用的航道時(shí),采用直接裝駁工藝會(huì)增大施工避讓風(fēng)險(xiǎn),建議采用艉吹裝駁工藝。
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